6082鋁合金棒材固溶處理工藝改進

劉 迪，孫菁孺，王力顥，孫宏強，趙 芳

（1.遼寧忠旺集團有限公司，遼陽 111003；2.遼寧對外經(jīng)貿(mào)學(xué)院，大連 116000）

0 前言

近年來，隨著技術(shù)的發(fā)展，鋁合金有逐漸取代鋼鐵部件的趨勢。Al-Mg-Si合金具有質(zhì)量輕、比強度高、易于成形和耐腐蝕性好、表面著色性能優(yōu)良等優(yōu)點，在航空航天、軌道交通、造船及建筑建材等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1-2]。其中，6082鋁合金因具有中等強度和良好的耐腐蝕性成為汽車承重結(jié)構(gòu)件、汽車底盤控制臂等結(jié)構(gòu)件的理想材料[3-4]。但在實際生產(chǎn)中6082大米重棒材通常存在在線生產(chǎn)困難、力學(xué)性能低等問題，離線淬火不僅增加生產(chǎn)周期和生產(chǎn)成本，也增加了能源損耗，降低了生產(chǎn)效率。為了解決?200 mm以上擠壓棒材在線淬火硬度不均的問題，節(jié)省成本，縮短生產(chǎn)周期，提高生產(chǎn)效率，本文對6082鋁合金擠壓棒材固溶處理工藝進行了改進。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

針對棒材表面粗糙問題，選用兩種成分的優(yōu)質(zhì)6082鋁合金鑄錠，其成分見表1。對兩種鑄錠進行擠壓，生產(chǎn)的棒材直徑為210 mm、米重92.132 kg/m。

表1 6082合金化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）

1.2 生產(chǎn)工藝流程

擠壓生產(chǎn)流程如圖1所示。由于離線淬火工序較多，且淬火前需要運輸，導(dǎo)致生產(chǎn)耗時延長。根據(jù)實際生產(chǎn)驗證可知，采用在線淬火工藝每噸成品可節(jié)省生產(chǎn)周期12 h，運輸及淬火成本也可節(jié)省，所以本試驗選用在線淬火。

圖1 生產(chǎn)流程圖

6082合金中的強化相Mg2Si含量較高，應(yīng)適當(dāng)提高鑄錠溫度，但溫度過高擠壓后棒材表面易出現(xiàn)扒皮缺陷，導(dǎo)致擠壓速度降低，影響生產(chǎn)效率。因此，鑄錠加熱應(yīng)控制在510~530℃之間。

為了使6082合金完全固溶，一般將擠壓出料口溫度控制在510~540℃之間。由于6082合金中Si含量較高，提高擠壓速度易產(chǎn)生扒皮和表面粗糙現(xiàn)象，所以擠壓速度選擇在1.8~2.5 m/min之間，這樣既保證了出料表面質(zhì)量，又可保證出料口溫度。

通過對采用水冷與水冷加風(fēng)管兩種淬火方式得到的棒材的表面質(zhì)量、硬度、力學(xué)性能進行對比，確定最佳在線淬火方法及合金成分，具體試驗方案見表2。將擠壓后的棒材進行（175±5）℃×10 h時效處理，時效處理過程中保證成品料間隔，避免料與料接觸部分的時效效果不好，導(dǎo)致棒材硬度不均勻。

表2 實驗方案

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 表面質(zhì)量

對上述4種方案擠壓生產(chǎn)后的棒材表面質(zhì)量進行觀察，結(jié)果如圖2所示，其表面粗糙度數(shù)值見表3。由此可知，采用方案1、方案3得到的棒材表面粗糙度高，采用方案2、方案4得到的棒材表面優(yōu)質(zhì)。對比兩種成分，1#鑄錠成分中Mg含量比2#鑄錠高30%，Mn含量低28.5%，得到的棒材表面均粗糙，達(dá)不到客戶要求，因此不選1#成分做為最佳生產(chǎn)方案。

圖2 不同方案生產(chǎn)的棒材表面質(zhì)量

表3 不同方案生產(chǎn)的棒材表面粗糙度

這是因為當(dāng)ω（Mg）／ω（Si）>1.73∶1，有過剩Mg存在，過剩Mg影響了Mg2Si在α（Al）中的固溶度[5]，造成強化相從鋁基體中析出，析出的Mg2Si易長大粗化[6]，導(dǎo)致擠壓棒材表面粗糙。

Mn能細(xì)化再結(jié)晶晶粒，擴大淬火溫度上限，增大合金元素的固溶度，因而能提高合金的力學(xué)性能，改善抗蝕性、沖擊韌性和彎曲性能，并能減少Fe的有害影響和阻礙再結(jié)晶。但Mn的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不宜過大，否則Mn在過飽和固溶體內(nèi)有嚴(yán)重的晶內(nèi)偏析，影響合金的再結(jié)晶過程[7]。Mn含量過高會影響合金的鑄造性能，隨著Mn含量的增加，鑄造時金屬熔體的黏度增大，流動性下降[8]。因此，若合金中Mn含量過高，擠壓過程易產(chǎn)生拉毛及機械紋缺陷等問題。

2.2 硬度

對4種方案得到的擠壓棒材進行硬度測試，結(jié)果見表4。由表可知，方案1和方案2采用穿水淬火方式，棒材在線淬火后進入水槽內(nèi)，淬火前溫度高，導(dǎo)致棒材進入水槽時產(chǎn)生氣泡，將棒材與水隔絕，使得棒材淬火不均勻。方案3和方案4采用加強淬火，水槽底部加風(fēng)管，增加水循環(huán)，防止擠壓棒材因淬火溫度高所產(chǎn)生的氣泡駐留在棒材表面，進而影響淬火效果。方案1和方案2使用傳統(tǒng)淬火方式，由于淬火不均勻，導(dǎo)致時效后有硬度差。而方案3和方案4由于加強了淬火，并通過使用專用擋板，水槽底部加風(fēng)管、增加底部水的流動交換等手段，將淬火時產(chǎn)生的氣泡帶走，有效防止了淬火不均，故而時效前后的硬度均合格。

表4 不同方案生產(chǎn)前后的棒材硬度

方案1和方案2的棒材在時效后硬度不均勻，未達(dá)到6082合金時效后的理想硬度。由于擠壓棒材米重較大，因此將棒材時效制度改為180℃×8 h，時效處理后的硬度見表5。通過對比可知175℃×10 h獲得的硬度數(shù)據(jù)明顯低于180℃×8 h。

表5 調(diào)整時效制度后棒材硬度對比

2.3 力學(xué)性能

對經(jīng)180℃×8 h時效處理后的1#、2#成分棒材進行拉伸試驗，結(jié)果見表6。對比2種成分合金力學(xué)性能可知，1#、2#成分的力學(xué)性能均能滿足要求，但1#成分棒材表面質(zhì)量不能滿足需求，因此不考慮1#成分。綜合考慮到擠壓棒材表面質(zhì)量及性能情況，選用方案4的合金成分、工藝參數(shù)、淬火方式以及180℃×8 h時效制度，可以實現(xiàn)表面質(zhì)量好、性能優(yōu)越的棒材在線生產(chǎn)。

表6 棒材力學(xué)性能對比

鋁合金淬火在水中冷卻分為3個階段，第一階段為膜狀沸騰階段，淬火過程中其表面形成一層不均勻過熱蒸汽薄膜，其導(dǎo)熱性不佳，使制品的冷卻速度降低；第二階段為氣泡沸騰階段，當(dāng)蒸汽薄膜破壞時，靠近金屬表面的液體產(chǎn)生劇烈的沸騰，發(fā)生強烈的熱交換；第三階段為熱量對流階段，冷卻水在制品左右擺動或上下移動，增加制品表面與水產(chǎn)生對流的熱交換，進而提高冷卻速度[9]。

對于常規(guī)水冷淬火方式，當(dāng)擠壓棒材進入水槽時，在棒材表面形成細(xì)小氣泡阻隔水與棒材接觸，不僅降低淬火強度，而且易在棒材表面形成氧化膜，影響表面質(zhì)量。而采用水冷加風(fēng)管淬火方式，使水槽內(nèi)部水翻滾式流動，帶走棒材表面細(xì)小的氣泡，防止產(chǎn)生表面氧化膜，提高了冷卻效率，使棒材淬火很快突破第一階段，保證淬火制品冷卻均勻。

3 結(jié)論

（1）采用水冷加風(fēng)管淬火方式，使水槽內(nèi)部水翻滾式流動，帶走棒材表面細(xì)小的氣泡，不僅加強了淬火效果，還起到防止棒材表面氧化膜產(chǎn)生的作用。

（2）采用水冷加風(fēng)管淬火方式，通過使用專用擋板、水槽底部加風(fēng)管、增加底部水流動交換等手段，將淬火時產(chǎn)生的氣泡帶走，有效防止了淬火不均，使時效前后的硬度均合格。

（3）選用方案4的合金成分、工藝參數(shù)、淬火方式以及180℃×8 h時效制度，可以實現(xiàn)表面質(zhì)量好、性能優(yōu)越的棒材在線生產(chǎn)。